Un sensor piezoeléctrico es un dispositivo que utiliza el efecto piezoeléctrico para medir cambios de presión , aceleración , temperatura , tensión o fuerza convirtiéndolos en una carga eléctrica . El prefijo piezo- en griego significa "presionar" o "apretar". [1]
Los sensores piezoeléctricos son herramientas versátiles para la medición de diversos procesos. [2] Se utilizan para el aseguramiento de la calidad , el control de procesos y para la investigación y el desarrollo en muchas industrias. Pierre Curie descubrió el efecto piezoeléctrico en 1880, pero sólo en la década de 1950 los fabricantes comenzaron a utilizar el efecto piezoeléctrico en aplicaciones de detección industriales. Desde entonces, este principio de medición se ha utilizado cada vez más y se ha convertido en una tecnología madura con una excelente fiabilidad inherente.
Se han utilizado con éxito en diversas aplicaciones, como en instrumentación médica , [3] aeroespacial , nuclear y como sensor de inclinación en electrónica de consumo [4] o sensor de presión en las almohadillas táctiles de teléfonos móviles. En la industria automotriz , los elementos piezoeléctricos se utilizan para monitorear la combustión cuando se desarrollan motores de combustión interna . Los sensores se montan directamente en orificios adicionales en la culata del cilindro o la bujía/bujía incandescente está equipada con un sensor piezoeléctrico en miniatura incorporado. [5]
El auge de la tecnología piezoeléctrica está directamente relacionado con un conjunto de ventajas inherentes. El alto módulo de elasticidad de muchos materiales piezoeléctricos es comparable al de muchos metales y llega hasta 10 6 N/m 2 . [ cita necesaria ] Aunque los sensores piezoeléctricos son sistemas electromecánicos que reaccionan a la compresión , los elementos sensores muestran una deflexión casi nula. Esto confiere a los sensores piezoeléctricos robustez, una frecuencia natural extremadamente alta y una linealidad excelente en un amplio rango de amplitud . Además, la tecnología piezoeléctrica es insensible a los campos electromagnéticos y la radiación , lo que permite realizar mediciones en condiciones difíciles. Algunos materiales utilizados (especialmente el fosfato de galio o la turmalina ) son extremadamente estables a altas temperaturas, lo que permite a los sensores tener un rango de trabajo de hasta 1000 °C. La turmalina muestra piroelectricidad además del efecto piezoeléctrico; esta es la capacidad de generar una señal eléctrica cuando cambia la temperatura del cristal. Este efecto también es común a los materiales piezocerámicos. Gautschi en Piezoelectric Sensorics (2002) ofrece esta tabla comparativa de características de los materiales de sensores piezoeléctricos frente a otros tipos:
Una desventaja de los sensores piezoeléctricos es que no pueden utilizarse para mediciones verdaderamente estáticas. Una fuerza estática da como resultado una cantidad fija de carga en el material piezoeléctrico. En la electrónica de lectura convencional, los materiales aislantes imperfectos y la reducción de la resistencia interna del sensor provocan una pérdida constante de electrones y producen una señal decreciente. Las temperaturas elevadas provocan una caída adicional en la resistencia interna y la sensibilidad. El efecto principal sobre el efecto piezoeléctrico es que al aumentar las cargas de presión y la temperatura, la sensibilidad se reduce debido a la formación de gemelos . Mientras que los sensores de cuarzo deben enfriarse durante las mediciones a temperaturas superiores a 300 °C , tipos especiales de cristales como el fosfato de galio GaPO4 no muestran formación de gemelos hasta el punto de fusión del propio material.
Sin embargo, no es cierto que los sensores piezoeléctricos sólo puedan utilizarse para procesos muy rápidos o en condiciones ambientales. De hecho, numerosas aplicaciones piezoeléctricas producen mediciones cuasiestáticas y otras aplicaciones funcionan a temperaturas superiores a 500 °C .
Los sensores piezoeléctricos también se pueden utilizar para determinar los aromas en el aire midiendo simultáneamente la resonancia y la capacitancia. La electrónica controlada por computadora aumenta enormemente la gama de aplicaciones potenciales de los sensores piezoeléctricos. [6]
Los sensores piezoeléctricos también se encuentran en la naturaleza. El colágeno del hueso es piezoeléctrico y algunos creen que actúa como un sensor de fuerza biológica. [7] [8] La piezoelectricidad también se ha demostrado en el colágeno de los tejidos blandos como el tendón de Aquiles , las paredes aórticas y las válvulas cardíacas . [9]
La forma en que se corta un material piezoeléctrico define uno de sus tres principales modos de funcionamiento:
Una fuerza aplicada a lo largo de un eje neutro (y) desplaza cargas a lo largo de la dirección (x), perpendicular a la línea de fuerza. La cantidad de carga ( ) depende de las dimensiones geométricas del respectivo elemento piezoeléctrico. Cuando se aplican las dimensiones,
La cantidad de carga desplazada es estrictamente proporcional a la fuerza aplicada e independiente del tamaño y forma del elemento piezoeléctrico. Poner varios elementos mecánicamente en serie y eléctricamente en paralelo es la única forma de aumentar la salida de carga. La carga resultante es
La carga producida es exactamente proporcional a la fuerza aplicada y se genera en ángulo recto con respecto a la fuerza. La carga es independiente del tamaño y la forma del elemento. Para elementos mecánicamente en serie y eléctricamente en paralelo, la carga es
A diferencia de los efectos longitudinal y de corte, el efecto transversal permite ajustar la sensibilidad de la fuerza aplicada y la dimensión del elemento.
Un transductor piezoeléctrico tiene una impedancia de salida muy alta y puede modelarse como una fuente de voltaje proporcional y una red de filtro . El voltaje V en la fuente es directamente proporcional a la fuerza, presión o tensión aplicada. [10] La señal de salida se relaciona con esta fuerza mecánica como si hubiera pasado por el circuito equivalente.
Un modelo detallado incluye los efectos de la construcción mecánica del sensor y otras no idealidades. [11] La inductancia L m se debe a la masa sísmica y a la inercia del propio sensor. C e es inversamente proporcional a la elasticidad mecánica del sensor. C 0 representa la capacitancia estática del transductor, resultante de una masa inercial de tamaño infinito. [11] R i es la resistencia de fuga de aislamiento del elemento transductor. Si el sensor está conectado a una resistencia de carga , esta también actúa en paralelo con la resistencia de aislamiento, aumentando ambas la frecuencia de corte de paso alto.
Para su uso como sensor, normalmente se utiliza la región plana del gráfico de respuesta de frecuencia, entre el corte de paso alto y el pico resonante. La resistencia de carga y fuga debe ser lo suficientemente grande como para que no se pierdan las bajas frecuencias de interés. En esta región se puede utilizar un modelo de circuito equivalente simplificado, en el que Cs representa la capacitancia de la propia superficie del sensor, determinada por la fórmula estándar para la capacitancia de placas paralelas . [11] [12]
También se puede modelar como una fuente de carga en paralelo con la capacitancia de la fuente, con la carga directamente proporcional a la fuerza aplicada. [10] [13]
La tecnología piezoeléctrica puede medir diversas cantidades físicas, más comúnmente presión y aceleración. Para los sensores de presión , se utiliza una membrana delgada y una base masiva, lo que garantiza que una presión aplicada cargue específicamente los elementos en una dirección. En los acelerómetros , se adjunta una masa sísmica a los elementos cristalinos. Cuando el acelerómetro experimenta un movimiento, la masa sísmica invariante carga los elementos según la segunda ley del movimiento de Newton .
La principal diferencia en el principio de funcionamiento entre estos dos casos es la forma en que aplican fuerzas a los elementos sensores. En un sensor de presión, una membrana delgada transfiere la fuerza a los elementos, mientras que en los acelerómetros una masa sísmica adherida aplica las fuerzas. Los sensores suelen ser sensibles a más de una cantidad física. Los sensores de presión muestran señales falsas cuando están expuestos a vibraciones. Por ello, los sensores de presión sofisticados utilizan, además de los elementos sensores de presión, elementos de compensación de la aceleración. Al hacer coincidir cuidadosamente esos elementos, la señal de aceleración (liberada del elemento de compensación) se resta de la señal combinada de presión y aceleración para derivar la información de presión real.
Los sensores de vibración también pueden recolectar energía que de otro modo se desperdiciaría a partir de vibraciones mecánicas. Esto se logra mediante el uso de materiales piezoeléctricos para convertir la tensión mecánica en energía eléctrica utilizable . [14]
Se utilizan tres grupos principales de materiales para los sensores piezoeléctricos: cerámicas piezoeléctricas, materiales monocristalinos y materiales piezoeléctricos de película delgada. Los materiales cerámicos (como la cerámica PZT ) tienen una constante/sensibilidad piezoeléctrica que es aproximadamente dos órdenes de magnitud mayor que la de los materiales monocristalinos naturales y pueden producirse mediante procesos de sinterización económicos . El efecto piezoeléctrico de las piezocerámicas está "entrenado", por lo que su alta sensibilidad se degrada con el tiempo. Esta degradación está altamente correlacionada con el aumento de temperatura.
Los materiales monocristalinos naturales, menos sensibles ( fosfato de galio , cuarzo , turmalina ) tienen una mayor estabilidad a largo plazo (cuando se manipulan con cuidado, casi ilimitada). También hay nuevos materiales monocristalinos disponibles comercialmente, como el niobato de plomo y magnesio-titanato de plomo (PMN-PT). Estos materiales ofrecen una sensibilidad mejorada con respecto al PZT , pero tienen una temperatura de funcionamiento máxima más baja y actualmente son más complicados de fabricar debido al material PZT de cuatro compuestos frente al de tres compuestos.
Los materiales piezoeléctricos de película delgada se pueden fabricar utilizando métodos de pulverización catódica , CVD ( deposición química de vapor ), ALD ( epitaxia de capa atómica ), etc. Los materiales piezoeléctricos de película delgada se utilizan en aplicaciones donde se utiliza alta frecuencia (> 100 MHz) en el método de medición y/o se favorece el tamaño pequeño en la aplicación.
